工业辐照装置安全与防护

环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训1/工业辐照电子加速器的安全与防护环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训2/工业辐照的定义工业辐照，又称辐射加工，是指利用电离辐射与物质相互作用产生的物理效应、化学效应和生物效应，对物质和材料进行加工处理的一种核技术。辐射加工通常包括γ辐射加工和电子加速器辐射加工。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训3/工业辐照所用的辐射源辐射源是指可以通过发射电离辐射或释放放射性物质而引起辐射的一切物质或实体。常见的辐射源有：放射性核素，加速器辐射源，核反应堆等。工业辐照的辐射源可以分为两大类：（1）γ辐射源，包括钴－60和铯－137等。（2）加速器辐射源，包括电子束和X射线。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训4/工业辐照电子加速器概述加速器装置是产生、加速、引出和应用带电粒子束的机器。应用加速器装置种类繁多，但我们在这里仅讲述工业辐照电子加速器，不包括医用、工业无损检测及其他应用的加速器，也不包括加速器其他带电粒子束流的加速器。目前，工业辐照加速器装置主要有高压型辐照电子加速器和谐振型辐照电子加速器两种。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训5/工业电子加速器与γ辐射源区别优点：与60Co相比，功率大，一般为几kW到几百kW；产生的剂量率要比60Co高出3到4个数量级；方向集中，能量利用率高；生产效率高，适合大规模的辐照工业加工；辐射防护比较容易，开机有辐射，关机无；电子能量低于10MeV，不产生感生放射性。缺点：-电子束的穿透能力低，限制了其一定的应用。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训6/工业辐照电子加速器的组成1.电子枪:是产生电子束的源头。2.加速管：是使电子束在此被一系列的直流或脉冲电场加速。3.高压系统：是提供高压功率源，是加速器最复杂、最贵重部件。4.电子束流引出装置：功能是将电子束流引出加速器，用于辐照。5.真空系统:为避免电子与气体分子发生严重散射，引起束流和能量大量流失，甚至导致加速器不能正常工作，故加速器正常工作要保持一定真空度。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训7/工业辐照电子加速器的组成续6.束下装置：加工的产品必须由一套自动化的流水作业设备来完成，这套系统通称为束下装置。7.冷却系统：主要是使用水或气冷却。8.绝缘气体介质：主要是将高压发生器置于充满压缩气体的钢桶内。9.控制系统10.联锁系统环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训8/工业辐照电子加速器的分类—按加速电场的形式分类依据《辐射加工用电子加速器通用规范》分为：1.直流高压型加速器：是利用直流高压电场加速带电粒子。此类加速器特点是可以任意加速一种带电粒子且能量易于平滑调节；缺点是加速器的加速电压直接受介质击穿的限制，对工业应用加速器，其电压≤10MV;对于从事核反应静电加速器一般不超过30~50MV，故此类加速器的能量不高。2.（高频）脉冲型加速器：常用的有高频谐振腔型加速器、电子直线加速器等。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训9/工业辐照电子加速器的分类—按加速器的屏蔽和出入口控制分类依据国际原子能机构安全丛书No.107中，根据电子束辐照装置的屏蔽和出入口控制，将辐照装置分为两类：第I类：具有一种联动装置的整体屏蔽单元，由于屏蔽体的结构设计，使得人的身体不可能进入加速器和正在进行辐照的空间。第II类：辐照在屏蔽室内进行，屏蔽室通过入口控制系统保证人员不能进入正在辐照的辐照室。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训10/电子束设施（第Ⅰ类）铅屏蔽产品传送带高压发射器控制柜单极电子束源铅屏蔽产品传送带高压发射器控制柜单极电子束源环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训11/电子束设施（第Ⅱ类）扫描喇叭窗水泥屏蔽墙高压系统振荡器室迷道进出口产品传送带扫描喇叭窗水泥屏蔽墙高压系统振荡器室迷道进出口产品传送带扫描喇叭窗水泥屏蔽墙高压系统振荡器室迷道进出口产品传送带环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训12/电子束辐射源医疗用品的辐射消毒，食品保藏，电子元器件改性，材料改性等方面等脉冲电子直线加速器；梅花瓣型加速器几kW-几百kW3-10MeV高电线电缆的聚乙烯绝缘材料和聚乙烯发泡塑料的辐射交联，橡胶硫化；辐照生产高强度耐温聚乙烯热缩管等连续束高频高压加速器（地那米）；高压变压器型加速器几十kW-400kW0.3-3MeV中涂层固化，细线、薄膜、片状物的辐照，烟气脱硫和污水处理等连续束电子帘加速器几kW-100kW0.15-0.3MeV低主要用途束流形式主要机型束功率能量范围能量医疗用品的辐射消毒，食品保藏，电子元器件改性，材料改性等方面等脉冲电子直线加速器；梅花瓣型加速器几kW-几百kW3-10MeV高电线电缆的聚乙烯绝缘材料和聚乙烯发泡塑料的辐射交联，橡胶硫化；辐照生产高强度耐温聚乙烯热缩管等连续束高频高压加速器（地那米）；高压变压器型加速器几十kW-400kW0.3-3MeV中涂层固化，细线、薄膜、片状物的辐照，烟气脱硫和污水处理等连续束电子帘加速器几kW-100kW0.15-0.3MeV低主要用途束流形式主要机型束功率能量范围能量环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训13/电子加速器的屏蔽防护1.在使用高能电子时，电子本身在物质中有其限定的射程，这个射程是电子初始能量和吸收物质密度二者的函数。电子与其轰击物质相互作用结果产生X射线，与X射线相比，电子的最大射程较小。因此，在计算电子加速器的屏蔽要求时，只考虑产生的X射线。2.当电子加速器的能量达到300keV以上，并且用铅或者贫铀等重元素自屏蔽时，特征X射线也应该考虑其防护。3.在大多数情况下，韧致辐射在电子加速器的防护中更为重要。4.在屏蔽计算中应假定其全部电子被可能受电子束轰击的重元素所吸收。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训14/电子加速器的屏蔽防护续5.电子加速器防护时，还应考虑其本身的结构材料以及可能受到辐照的产品的成分。6.必须针对其所能提供的最高能量和最大电流进行屏蔽计算。还应对杂散X射线给予注意，而当加速器以高电压水平运行并且其加速管位于辐照室外时尤其值得注意。（注：产生杂散射线的来源：①反散射电子具有足够高的能量返回到加速管中；②在对电子加速器进行调试或在真空度相对较差条件下运行时，加速管中出现产生X射线的暗电流。）环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训15/电子加速器的屏蔽室的防护一.加速器辐照室的结构除了一些低能加速器采用子屏蔽装置以外（一般能量小于1MeV），大部分工业辐照用加速器都需要建设专门用的辐照室。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训16/环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训17/（一）双层结构•辐照室外墙为屏蔽墙，内部分上下两层，上层安装加速器主体部分，下层安装束流引出装置和束下系统。•双层结构的优点：—维护和操作方便—可以按上下层不同的辐射剂量分别设计防护墙—辐照室中产生的臭氧、氮氧化物和其他有害气体，被限制在较小的空间里，便于集中的排放和监控。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训18/（一）双层结构典型的电子加速器辐照车间立面图环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训19/双层结构辐照室应用范围双层结构主要用在电线、电缆、热缩管线等连续生产的大型加速器（主要指个体较大、功率较大）中。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训20/（二）平面布置卧式安装的加速器、加工液体的加速器、或者加速器作为一个大的生产流水线的组成部分，还有一些小功率的加速器，多采用单层辐照室，其建筑结构简单，价格低廉。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训21/（三）自屏蔽加速器小功率低能加速器，也可采用自屏蔽设计。屏蔽壳采用铅或复合材料。自屏蔽加速器的屏蔽，应该包括束下系统，因为自屏蔽加速器要求可以安装在普通的车间厂房内，周边有人员活动，所以自屏蔽的效果是：在不增加附加防护的情况下，周围人群剂量限值符合国家标准。自屏蔽加速器大多用在辐射硫化、邮件杀毒、液体灭菌等。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训22/二.辐照室的屏蔽设计辐照加速器电子出射范围小，易屏蔽，但在电子打到相应靶后，产生很强的韧致辐射。韧致辐射的最大能量为最大可能的电子能量，一般的辐照用加速器，只要能量不高于10MeV，不会产生光核反应和感生放射性。因此。韧致辐射（X射线）成为加速器的主要辐射防护对象。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训23/（一）辐照室的屏蔽设计依据1.了解加速器的最大能量、束流和功率以及辐射加工对象。2.束流下的各种材料，一般选用Z值高为准，如铅，作为韧致靶考虑。3.辐照室屏蔽墙外表面的剂量限值需要满足《γ辐照装置设计建造和使用规范》《γ辐照装置的辐射防护与安全标准》。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训24/（二）辐照室的屏蔽设计计算1.加速器X射线的发射率常数δa。一般而言，当电子能量低于1MeV时，最大发射率方向倾向于与电子束入射方向垂直；随着电子能量的提高，最大发射率方向越偏向于入射电子束的方向；2.加速器X射线的剂量计算加速器X射线在离靶r（m）处产生的吸收剂量率式中，I表示电子束流强度，mA。δa表示X射线发射率常数。2aIDr环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训25/•该图给出了电子能量在0.1~100MeV时，沿0°和90°方向出射的X射线的发射率常数δa。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训26/（二）辐照室的屏蔽设计计算•3.X射线的天空反散射计算天空反散射原理与钴源辐照站类似，单位注量光子在距源X米远处的有效剂量率按下式估算：式中，Dx表示注量光子在距源X米处的P点的天空反散射的有效剂量率，Sv·h-1；D0表示距源1米处单位注量光子有效剂量率，Sv·h-1；Ω表示源与屋顶之间所张的立体角；x表示评价点P距源的水平距离，m。21.3022.510xDDx环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训27/（三）辐照室的屏蔽中某些特殊问题•1.孔道：为了防止辐射泄露，加速器的通风管道、水管、电缆管道、辐照材料的传输管道等应取“S”形或“U”形，在地沟的入口或出口应有一定厚度的屏蔽盖板。•为了搬运大型设备，有时需要在屏蔽墙上留出足够大的孔洞，这些孔洞的位置也要尽可能避开束流方向或辐射发射率峰值方向。填塞孔洞时，混凝土块之间的垂直缝隙最好都用灰浆填充。环保部核安全局苏州大学医学部放射医学与防护学院放射工作人员辐射防护与安全知识培训28/（三）辐照室的屏蔽中某些特殊问题•2.迷宫：迷宫的设计与建筑物的布局有关，但迷宫口位置应尽可能避开来自靶上的直接辐射，或应避开辐射发射率峰值的方向，并且在满足使用的条件下，迷宫的截面应尽可能小一些，有时为了节省建筑费用或空间，或为了补偿由于通道造成的屏蔽墙总体减